第二章-半导体中的杂质和缺陷能级

第二章半导体中杂质和缺陷能级理想半导体：原子严格地周期性排列，晶体具有完整的晶格结构。晶体中无杂质，无缺陷。电子在周期场中作共有化运动，形成允带和禁带——电子能量只能处在允带中的能级上，禁带中无能级。由本征激发提供载流子第二章半导体中的杂质和缺陷能级第二章半导体中杂质和缺陷能级杂质：与组成半导体材料元素不同的其它化学元素。如硅中掺磷、掺硼等掺杂后的半导体称为杂质半导体。掺杂后就会使半导体的导电性能发生显著变化。其原因是掺杂半导体的某种载流子浓度大大增加。杂质来源：a有意掺入b污染本征半导体：晶体具有完整的（完美的）晶格结构，无任何杂质和缺陷。第二章半导体中杂质和缺陷能级缺陷实际半导体晶格结构不是完整无缺的，存在各种形式的缺陷。缺陷可分为三类：（１）点缺陷（空位、间隙原子等）；（２）线缺陷（位错等）；（３）面缺陷（层错、多晶体中的晶粒间界等）．第二章半导体中杂质和缺陷能级引入杂质和缺陷的意义半导体材料独特的性质，取决于杂质影响．极微量的杂质和缺陷，能够对半导体材料的理化性质产生决定性的影响（半导体器件的质量）．可通过适当掺杂制造形形色色的器件第二章半导体中杂质和缺陷能级半导体中的杂质和缺陷起什么样作用？为什么会起这样的作用？第二章半导体中杂质和缺陷能级杂质和缺陷的存在，所产生的附加势场使严格的周期性势场受到破坏，可能在禁带中引入允许电子具有的能量状态(即能级)．ECEV杂质能级第二章半导体中杂质和缺陷能级如图所示为一晶格常数为a的Si晶胞，求：（a）Si原子半径（b）晶胞中所有Si原子占据晶胞的百分比（a）113(3)248raa（b）3348330.3416ra例：第二章半导体中杂质和缺陷能级重点和难点施主杂质、施主能级、n型半导体；受主杂质、受主能级、p型半导体；施主杂质和受主杂质的电离能;杂质的补偿作用；浅能级杂质和深能级杂质2.1Si、Ge中的杂质能级第二章半导体中杂质和缺陷能级SiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式替位式：占据正常的格点位置2.1.1替位式杂质间隙式杂质根据杂质在半导体中位置不同，可分为：替位式杂质和间隙式杂质(interstitial)第二章半导体中杂质和缺陷能级ECEV杂质能级EgSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiSiPSiSiSiSi间隙式替位式替位式杂质较大，而间隙式杂质较小杂质浓度：描述杂质的含量多少1/cm3引入的杂质能级位于禁带中第二章半导体中杂质和缺陷能级替位式杂质形成替位式杂质，对替位杂质原子的要求：大小与被取代的晶格原子的大小比较相近，价电壳层结构比较相近．如：Ｇｅ、Ｓｉ是IV族元素，与III、V族元素相近．所以III、V族元素在硅、锗晶体中都是替位杂质。第二章半导体中杂质和缺陷能级2.1.2施主杂质、施主能级一、施主杂质：在硅或锗晶体中掺入少量的五价元素磷（或锑），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，磷原子的最外层有五个价电子，其中四个与相邻的半导体原子形成共价键，必定多出一个电子，这个电子几乎不受束缚，很容易被激发而成为自由电子，这样磷原子就成了不能移动的带正电的离子。第二章半导体中杂质和缺陷能级SiP+SiSiSiSiSiSiSi-硅中的施主杂质每个磷原子给出一个电子，称为施主原子。磷为施主杂质(n型杂质)。本征半导体掺入施主杂质后成为n型半导体。第二章半导体中杂质和缺陷能级+4+4+5+4多余价电子磷原子磷替代硅。磷有五个价电子。四个价电子与周围的四个硅原子形成共价键，还剩余一个价电子。同时磷原子所在处也多余一个正电荷+ｑ，称这个电荷为正电中心磷离子(P+)。第二章半导体中杂质和缺陷能级+4+4+5+4导带电子P+弱束缚----束缚作用比共价键的束缚作用弱得多，只要很少的能量就可以使它挣脱束缚，成为导电电子在晶格中自由运动。磷原子就成为少了一个价电子的磷离子(P+)，一个不能移动的正电中心。第二章半导体中杂质和缺陷能级第二章半导体中杂质和缺陷能级二、N型半导体：本征半导体中掺入磷等Ⅴ族元素后，自由电子浓度大大增加的杂质半导体，也称为（电子半导体）。+4+4+5+4多余价电子磷原子第二章半导体中杂质和缺陷能级N型半导体中的载流子是什么？1、由施主原子提供的电子，浓度与施主原子相同。2、本征半导体中成对产生的电子和空穴。掺杂浓度远大于本征半导体中载流子浓度，所以，自由电子浓度远大于空穴浓度。自由电子称为多数载流子（多子），空穴称为少数载流子（少子）。第二章半导体中杂质和缺陷能级三、施主电离施主杂质释放电子的过程叫施主电离。未电离时是中性的，称为束缚态或中性态；电离后成为正电中心，称为离化态杂质电离能：使多余电子挣脱束缚成为导电电子所需要的能量，ΔED(Donor)第二章半导体中杂质和缺陷能级晶体杂质PAsSbSiGe0.0440.01260.0490.01270.0390.0096Ｖ族杂质元素在硅、锗中的电离能很小，在硅中约为0.04-0.05eV，在锗中约为0.01eV,比硅、锗的禁带宽度Eg小得多[Eg(Ge)=0.72eV]硅、锗晶体中V族杂质的电离能（eV）第二章半导体中杂质和缺陷能级施主能级：将被施主杂质束缚的电子的能量状态，ED电子得到能量ΔED，从施主的束缚态跃迁到导带成为导电电子，所以电子被施主杂质束缚时的能量比导带底EC低ΔED。∵ΔED《Eg，∴施主能级离导带底很近⊕⊕ECEVEDEgΔED四、施主能级和施主电离第二章半导体中杂质和缺陷能级施主杂质是比较少的，杂质原子间的相互作用可以忽略，一种杂质的施主能级是具有相同能量的孤立能级⊕⊕ECEVEDEGΔED第二章半导体中杂质和缺陷能级一、受主杂质：在硅或锗晶体中掺入少量的三价元素，如硼（或铟），晶体点阵中的某些半导体原子被杂质取代，硼原子的最外层有三个价电子，与相邻半导体原子形成共价键时，产生一个空穴。这个空穴可能吸引束缚电子来填补，使得硼原子成为不能移动的带负电的离子。2.1.3受主杂质受主能级第二章半导体中杂质和缺陷能级SiB-SiSiSiSiSiSiSi+硅中的受主杂质硼原子接受电子，称为受主原子。B为受主杂质(p型杂质)。本征半导体掺B后成为p型半导体（空穴半导体）第二章半导体中杂质和缺陷能级硼原子占据了硅原子的位置。硼原子有三个价电子．它和周围的四个硅原子形成共价键，但缺少一个电子，必须从别处的硅原子中夺取一个价电子，在硅晶体的共价键中产生一个空穴。空穴硼原子+4+4+3+4第二章半导体中杂质和缺陷能级空穴B-+4+4+3+4而硼原子接受一个电子后，成为带负电的硼离子，称为负电中心（B-）。带负电的硼离子和带正电的空穴间有静电引力作用，这个空穴受到硼离子的束缚，在硼离子附近运动第二章半导体中杂质和缺陷能级空穴B-+4+4+3+4但硼离子对这个空穴的束缚是弱束缚，很少的能量就可以使空穴挣脱束缚，成为在晶体的共价键中自由运功的导电空穴。第二章半导体中杂质和缺陷能级空穴B-+4+4+3+4硼原子成为多了一个价电子的硼离子（B-）----不能移动的负电中心。第二章半导体中杂质和缺陷能级第二章半导体中杂质和缺陷能级空穴硼原子+4+4+3+4二、P型半导体：本征半导体中掺入B等Ⅲ族元素后，空穴浓度大大增加的杂质半导体，也称为（空穴半导体）。第二章半导体中杂质和缺陷能级P型半导体中空穴是多子，电子是少子。P型半导体中载流子是什么？由受主原子提供的空穴，浓度与受主原子浓度相同第二章半导体中杂质和缺陷能级三、受主电离受主杂质释放空穴的过程叫受主电离。未电离时是中性的，称为束缚态或中性态；电离后成为负电中心，称为受主离化态.杂质电离能：使多余空穴挣脱束缚成为导电空穴所需要的能量，ΔEA(Acceptor)第二章半导体中杂质和缺陷能级晶体杂质BAlGaInSiGe0.0450.010.0570.010.0650.0110.160.011Ⅲ族杂质元素在硅、锗晶体中的电离能很小。硅中约为0.045-0.065eV。铟(In)在硅中的电离能为0.16eV，是一例外，在锗中约为0.01eV。比硅、锗晶体的Eg小得多。硅、锗晶体中Ⅲ族杂质的电离能(eV)第二章半导体中杂质和缺陷能级把被受主杂质所束缚的空穴的能量状态称为受主能级EAEgΔEAEAECEV空穴得到能量ΔEA后，从受主的束缚态跃迁到价带成为导电空穴，在能带图上表示空穴的能量是越向下越高，空穴被受主杂质束缚时的能量比价带顶EV低ΔEA∵ΔEA《Eg，∴受主能级离价带顶很近四、受主能级和受主电离第二章半导体中杂质和缺陷能级EgΔEAEAECEV受主能级和受主电离ΔEA《Eg，受主能级位于离价带顶很近的禁带中。一般受主能级也是孤立能级。第二章半导体中杂质和缺陷能级纯净半导体中掺入受主杂质后，受主杂质电离，使价带中的导电空穴增多，增强了半导体的导电能力，把主要依靠空穴导电的半导体称为空穴型或p型半导体。EgΔEAEAECEV第二章半导体中杂质和缺陷能级Ⅲ、Ⅴ族杂质在硅、锗晶体中分别是受主和施主杂质，起作用是由于禁带中引入能级;受主能级比价带顶高ΔEA，施主能级则比导带底低ΔED.第二章半导体中杂质和缺陷能级五、杂质半导体的示意表示法－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－P型半导体++++++++++++++++++++++++N型半导体杂质半导体多子和少子的移动都能形成电流。但由于数量的关系，起导电作用的主要是多子。近似认为多子与杂质浓度相等。第二章半导体中杂质和缺陷能级杂质可以处于两种状态，即未电离的中性态或束缚态以及电离后的离化态!处于离化态时，受主杂质向价带提供空穴而成为负电中心，施主杂质向导带提供电子而成为正电中心.六小结第二章半导体中杂质和缺陷能级施主杂质电离后向半导体提供（），受主杂质电离后向半导体提供（），本征激发向半导体提供（）A.空穴B.电子BAA、B例题第二章半导体中杂质和缺陷能级硅、锗中的Ⅲ、V族杂质的电离能都很小，所以受主能级很接近于价带顶，施主能级很接近于导带底。这些杂质能级称为浅能级，产生浅能级的杂质称为浅能级杂质。室温下，晶格原子热振动的能量会传递给电子，可使硅、锗中的Ⅲ、Ⅴ族杂质几乎全部离化，称为全电离七浅能级杂质第二章半导体中杂质和缺陷能级2.1.4浅能级杂质电离能的简单计算浅能级杂质，电离能很低。电子或空穴受到正电中心或负电中心的束缚微弱，可以利用类氢模型来计算杂质的电离能。第二章半导体中杂质和缺陷能级当硅、锗中掺入V族杂质如磷原子时，在施主杂质处于束缚态的情况下，这个磷原子将比周围的硅原子多一个电子电荷的正电中心和一个束缚着的价电子像在硅、锗晶体中附加一个“氢原子”，可以用氢原子模型估计ΔED的数值。SiP+SiSiSiSiSiSiSi-第二章半导体中杂质和缺陷能级n402220402204022081,2.......,:88nEmqEhnnmqhmqh１０１氢原子中电子的能量是：主量子数。　　ｎ＝１，为基态　　基态能量Ｅ＝显然　　　ｎ　　则Ｅ０电离能Ｅ＝Ｅ－Ｅ＝＝１３．６ｅＶ　（1）氢原子基态电离能第二章半导体中杂质和缺陷能级4nn22220mqmE=8εεhεoDrorEm（2）用类氢原子模型估算浅能级杂质电离能半导体中相对介电常数εr，杂质应处于介电常数为εoεr的介质中，负电荷所受引力将衰减εr倍，束缚能量降减弱εr2倍；此时电子是在晶格周期性势场中运动，所以用mn*代替电子惯性质量mo∴施主杂质电离能可表示为：第二章半导体中杂质和缺陷能级4pp22220mqmE=8εεhεoArorEm锗、硅的相对介电常数εr分别为16，12。锗ΔΕD=0.05mn*/m0硅ΔED=0.1mn*/m0而mn*/m0,mn*/m0小于1.硅锗中杂质电离能肯定小于0.1eV和0.05eV.受主杂质讨论相同.显而易见是浅能级杂质.同理，受主杂质电离能为第二章半导体中杂质和缺陷能级晶体杂质PAsSbSiGe0.0440.01260.0490.01270.0390.0096实测值与理论估算